深度学习模型的Android部署方法

使用背景：

将python中训练的深度学习模型（图像分类、目标检测、语义分割等）部署到Android中使用。

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Step1:下载并集成Pytorch Android库

1、下载Pytorch Android库。
在Pytorch的官网pytorch.org上找到最新版本的库。下载后，将其解压缩到项目的某个目录下。

2、配置项目gradle文件
配置项目的gradle文件，向项目添加Pytorch Android库的依赖项。打开项目的build.gradle文件，添加以下代码：

repositories {
    // 添加以下两行代码
    maven {
        url "https://oss.sonatype.org/content/repositories/snapshots/"
    }
}

dependencies {
    // 添加以下两行代码
    implementation 'org.pytorch:pytorch_android:1.8.0-SNAPSHOT'
    implementation 'org.pytorch:pytorch_android_torchvision:1.8.0-SNAPSHOT'
}

3、将库文件添加到项目中
将Pytorch Android库的库文件添加到项目中。可以将其复制到“libs”文件夹中，并在项目的gradle文件中添加以下代码：

android {
    sourceSets {
        main {
            jniLibs.srcDirs = ['libs']
        }
    }
}

4、配置NDK版本
确保项目使用了支持Pytorch Android库的NDK版本。打开项目的local.properties文件，添加以下代码：

//NDK目录
ndk.dir=/path/to/your/ndk 

5、同步gradle文件
在Android Studio中，点击“Sync Project with Gradle Files”按钮，等待同步完成。
到这就集成了Pytorch Android库。可以在应用程序中使用Pytorch Android库提供的API加载模型文件并进行预测。

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Step2:准备Pytorch导出的.pt模型文件

假如我们的深度学习模型输入图片大小尺寸为（640，640，3），并且已经在python中训练好了my_model.pth，那么我们需要将其转换为.pt格式：

import torch

# 加载PyTorch模型
model = torch.load("my_model.pth")

# 将PyTorch模型转换为TorchScript格式
traced_script_module = torch.jit.trace(model, torch.randn(1, 3, 640, 640))
traced_script_module.save("my_model.pt")

转换Pytorch模型为TorchScript格式时，需要确保使用的所有操作都是TorchScript支持的。否则，在转换模型时可能会出现错误。

Step3:导入Pytorch模型文件

要在Android Studio中创建新项目并将m_model.pt模型文件放入该项目中，包含以下步骤：
1、打开Android Studio，并选择“Create New Project”选项。
2、在“Create New Project”向导中，输入项目名称，选择项目保存位置，并选择“Phone and Tablet”作为您的应用程序目标设备。然后，单击“Next”继续。
3、选择“Empty Activity”模板，并单击“Next”继续。
4、在“Configure Activity”对话框中，输入活动名称并单击“Finish”完成项目创建过程。
5、在项目中创建一个名为“assets”的文件夹。要创建该文件夹，请右键单击项目根目录，选择“New” -> “Folder” -> “Assets Folder”。
6、将m_model.pt模型文件复制到“assets”文件夹中。要将文件复制到“assets”文件夹中，右键单击该文件夹，选择“Show in Explorer”或“Show in Finder”，然后将文件复制到打开的文件夹中。
7、在代码中加载模型文件使用以下代码示例加载模型文件：

AssetManager assetManager = getAssets();
String modelPath = "m_model.pt";
File modelFile = new File(getCacheDir(), modelPath);

try (InputStream inputStream = assetManager.open(modelPath);
     FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(modelFile)) {
    byte[] buffer = new byte[4 * 1024];
    int read;
    while ((read = inputStream.read(buffer)) != -1) {
        outputStream.write(buffer, 0, read);
    }
    outputStream.flush();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

// 加载PyTorch模型
Module model = Module.load(modelFile.getAbsolutePath());

在这里需要注意将模型文件保存到应用程序的缓存目录中，而不是将其保存在项目资源中。这是因为在运行时，Android应用程序不能直接读取项目资源，而是需要使用AssetManager类从“assets”文件夹中读取文件。

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Step4：模型的调用及使用示例

接下来示例运行模型、获取模型输出和在主线程中更新UI的代码：

import org.pytorch.IValue;
import org.pytorch.Module;
import org.pytorch.Tensor;
import org.pytorch.torchvision.TensorImageUtils;
import android.content.res.AssetManager;
import android.graphics.Bitmap;
import android.graphics.BitmapFactory;
import android.os.Bundle;
import android.os.Handler;
import android.os.Looper;
import android.util.Log;
import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity;
import androidx.camera.core.CameraX;
import androidx.camera.core.ImageAnalysis;
import androidx.camera.core.ImageProxy;
import androidx.camera.core.Preview;
import androidx.camera.lifecycle.ProcessCameraProvider;
import androidx.camera.view.PreviewView;
import androidx.core.content.ContextCompat;
import androidx.lifecycle.LifecycleOwner;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    private static final String MODEL_PATH = "m_model.pt";
    private static final int INPUT_SIZE = 224;

    private Module mModule;
    private ExecutorService mExecutorService;
    private Handler mHandler;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        // 加载PyTorch模型和创建执行线程池
        loadModel();

        // 创建主线程处理程序
        mHandler = new Handler(Looper.getMainLooper());

        // 启动相机
        startCamera();
    }

    private void loadModel() {
        // 加载PyTorch模型
        try {
            AssetManager assetManager = getAssets();
            InputStream inputStream = assetManager.open(MODEL_PATH);
            mModule = Module.load(inputStream);
        } catch (IOException e) {
            Log.e("MainActivity", "Error reading model file: " + e.getMessage());
            finish();
        }

        // 创建执行线程池
        mExecutorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
    }

    private void startCamera() {
        // 创建PreviewView
        PreviewView previewView = findViewById(R.id.preview_view);

        // 配置相机生命周期所有者
        LifecycleOwner lifecycleOwner = this;

        // 配置相机预览
        Preview preview = new Preview.Builder().build();
        preview.setSurfaceProvider(previewView.getSurfaceProvider());

        // 配置图像分析
        ImageAnalysis imageAnalysis =
                new ImageAnalysis.Builder()
                        .setBackpressureStrategy(ImageAnalysis.STRATEGY_KEEP_ONLY_LATEST)
                        .build();

        // 设置图像分析的处理程序
        imageAnalysis.setAnalyzer(
                mExecutorService,
                new ImageAnalysis.Analyzer() {
                    @Override
                    public void analyze(ImageProxy image, int rotationDegrees) {
                        // 将ImageProxy转换为Bitmap
                        Bitmap bitmap =
                                Bitmap.createScaledBitmap(
                                        image.getImage(),
                                        INPUT_SIZE,
                                        INPUT_SIZE,
                                        false);

                        // 将Bitmap转换为Tensor
                        Tensor tensor =
                                TensorImageUtils.bitmapToFloat32Tensor(
                                        bitmap,
                                        TensorImageUtils.TORCHVISION_NORM_MEAN_RGB,
                                        TensorImageUtils.TORCHVISION_NORM_STD_RGB);

                        // 创建输入列表
                        final IValue[] inputs = {IValue.from(tensor)};

                        // 运行模型
                        Tensor outputTensor = mModule.forward(inputs).toTensor();

                        // 获取模型输出
                        float[] scores = outputTensor.getDataAsFloatArray();

                        // 查找最高分数
                        float maxScore = -Float.MAX_VALUE;
                        int maxScoreIndex = -1;
                        for (int i = 0; i < scores.length; i++) {
                            if (scores[i] > maxScore) {
                                maxScore = scores[i];
                                maxScoreIndex = i;
                            }
                        }

                        // 获取分类标签
                        String[] labels = getLabels();
                        String predictedLabel = labels[maxScoreIndex];

                        // 更新UI
                        updateUI(predictedLabel);
                    }
                });

        // 绑定相机生命周期所有者
        CameraX.bindToLifecycle(lifecycleOwner, preview, imageAnalysis);
    }

    private String[] getLabels() {
        // 在此处替换为标签文件
        return new String[]{
                "tench",
                "goldfish",
                "great white shark",
                "tiger shark",
                // ...
        };
    }

    private void updateUI(String predictedLabel) {
        mHandler.post(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        // 更新UI
                        // 例如，将预测标签写入TextView
                        // TextView textView = findViewById(R.id.text_view);
                        // textView.setText(predictedLabel);
                    }
                });
    }

    @Override
    protected void onDestroy() {
        super.onDestroy();

        // 释放模型和执行线程池
        mModule.destroy();
        mExecutorService.shutdown();
    }
}

当模型预测输入图像时，它将返回一个整数，该整数表示模型预测的图像类型的索引。可以使用该索引来查找对应的标签并更新UI。例如：

// 查找最高分数
float maxScore = -Float.MAX_VALUE;
int maxScoreIndex = -1;
for (int i = 0; i < scores.length; i++) {
    if (scores[i] > maxScore) {
        maxScore = scores[i];
        maxScoreIndex = i;
    }
}

// 获取分类标签
String[] labels = getLabels();
String predictedLabel = labels[maxScoreIndex];

// 更新UI
updateUI(predictedLabel);

Step5：调试程序

编译和运行应用程序，并在Android Studio调试上测试图像识别功能。